Komórka to strukturalna jednostka całego życia na naszej planecie i otwarty system. Oznacza to, że jego życie wymaga ciągłej wymiany materii i energii z otoczeniem. Ta wymiana odbywa się przez błonę - główną granicę komórki, która ma na celu zachowanie jej integralności. To przez błonę odbywa się metabolizm komórkowy i przebiega on albo wzdłuż gradientu stężeń substancji, albo przeciw niej. Aktywny transport przez błonę cytoplazmatyczną to złożony i energochłonny proces.
Membrana - bariera i brama
Błona cytoplazmatyczna jest częścią wielu organelli komórkowych, plastydów i inkluzji. Współczesna nauka opiera się na płynnym mozaikowym modelu struktury membran. Aktywny transport substancji przez błonę jest możliwy dzięki jejkonkretny budynek. Podstawą błon jest dwuwarstwa lipidowa – głównie fosfolipidy ułożone zgodnie z ich właściwościami hydrofilowo-hydrofobowymi. Główne właściwości dwuwarstwy lipidowej to płynność (zdolność do osadzania i gubienia miejsc), samoorganizacja i asymetria. Drugim składnikiem błon są białka. Ich funkcje są różnorodne: aktywny transport, odbiór, fermentacja, rozpoznawanie.
Białka znajdują się zarówno na powierzchni błony, jak iw jej wnętrzu, a niektóre z nich kilkakrotnie wnikają w nią. Właściwość białek w błonie to zdolność do przemieszczania się z jednej strony błony na drugą (przeskok „flip-flop”). A ostatnim składnikiem są łańcuchy sacharydowe i polisacharydowe węglowodanów na powierzchni błon. Ich funkcje są nadal kontrowersyjne.
Rodzaje aktywnego transportu substancji przez błonę
Aktywny będzie taki transfer substancji przez błonę komórkową, który jest kontrolowany, odbywa się z kosztami energii i idzie wbrew gradientowi stężeń (substancje są przenoszone z obszaru o niskim stężeniu do obszaru wysokie stężenie). W zależności od tego, jakie źródło energii jest wykorzystywane, rozróżnia się następujące rodzaje transportu:
- Podstawowa substancja aktywna (źródło energii - hydroliza kwasu adenozynotrifosforowego ATP do kwasu adenozynodifosforowego ADP).
- Wtórny aktywny (dostarczany z energią wtórną wytworzoną w wyniku mechanizmów pierwotnego transportu aktywnego substancji).
Białka-asystenci
W pierwszym i drugim przypadku transport jest niemożliwy bez białek nośnikowych. Te białka transportowe są bardzo specyficzne i są przeznaczone do przenoszenia pewnych cząsteczek, a czasem nawet pewnych typów cząsteczek. Udowodniono to eksperymentalnie na zmutowanych genach bakteryjnych, co doprowadziło do niemożności aktywnego transportu przez błonę określonego węglowodanu. Transbłonowe białka transportujące mogą być samotransporterami (oddziałują z cząsteczkami i bezpośrednio przenoszą je przez błonę) lub kanałotwórczymi (tworzą pory w błonach, które są otwarte na określone substancje).
Pompa sodu i potasu
Najbardziej zbadanym przykładem pierwotnego aktywnego transportu substancji przez membranę jest pompa Na+ -, K+ -. Mechanizm ten zapewnia różnicę stężeń jonów Na+ i K+ po obu stronach błony, co jest niezbędne do utrzymania ciśnienia osmotycznego w komórce i innych procesów metabolicznych. Transbłonowe białko nośnikowe, ATPaza sodowo-potasowa, składa się z trzech części:
- Po zewnętrznej stronie błony białkowej znajdują się dwa receptory dla jonów potasu.
- Po wewnętrznej stronie membrany znajdują się trzy receptory jonów sodu.
- Wewnętrzna część białka ma aktywność ATP.
Kiedy dwa jony potasu i trzy jony sodu wiążą się z receptorami białkowymi po obu stronach błony, aktywność ATP jest włączona. Cząsteczka ATP ulega hydrolizie do ADP z uwolnieniem energii, która jest zużywana na transport jonów potasuwewnątrz, a jony sodu na zewnątrz błony cytoplazmatycznej. Szacuje się, że sprawność takiej pompy wynosi ponad 90%, co samo w sobie jest niesamowite.
Dla odniesienia: sprawność silnika spalinowego wewnętrznego spalania wynosi około 40%, elektrycznego - do 80%. Co ciekawe, pompa może również działać w przeciwnym kierunku i służyć jako donor fosforanów do syntezy ATP. W przypadku niektórych komórek (na przykład neuronów) do 70% całej energii zużywa się na usuwanie sodu z komórki i pompowanie do niej jonów potasu. Pompy do wapnia, chloru, wodoru i niektórych innych kationów (jony o ładunku dodatnim) działają na tej samej zasadzie transportu aktywnego. Nie znaleziono takich pomp dla anionów (jonów naładowanych ujemnie).
Kotransport węglowodanów i aminokwasów
Przykładem wtórnego transportu aktywnego jest transfer glukozy, aminokwasów, jodu, żelaza i kwasu moczowego do komórek. W wyniku działania pompy potasowo-sodowej powstaje gradient stężeń sodu: stężenie jest wysokie na zewnątrz, a niskie wewnątrz (czasem 10-20 razy). Sód ma tendencję do dyfuzji do komórki, a energia tej dyfuzji może być wykorzystana do transportu substancji na zewnątrz. Mechanizm ten nazywa się kotransportem lub sprzężonym transportem aktywnym. W tym przypadku białko nośnikowe ma dwa centra receptorowe na zewnątrz: jedno dla sodu, a drugie dla transportowanego pierwiastka. Dopiero po aktywacji obu receptorów białko ulega zmianom konformacyjnym, a energia dyfuzjisód wprowadza transportowaną substancję do komórki wbrew gradientowi stężeń.
Wartość aktywnego transportu dla komórki
Gdyby zwykła dyfuzja substancji przez błonę przebiegała przez dowolnie długi czas, ich stężenia na zewnątrz i wewnątrz komórki wyrównałyby się. A to jest śmierć komórek. W końcu wszystkie procesy biochemiczne muszą przebiegać w środowisku różnicy potencjałów elektrycznych. Bez aktywnego, wbrew gradientowi stężenia, transportu substancji, neurony nie byłyby w stanie przekazywać impulsu nerwowego. A komórki mięśniowe stracą zdolność kurczenia się. Komórka nie byłaby w stanie utrzymać ciśnienia osmotycznego i zapadłaby się. A produkty przemiany materii nie zostałyby wydobyte. A hormony nigdy nie dostałyby się do krwiobiegu. W końcu nawet ameba zużywa energię i tworzy różnicę potencjałów na swojej błonie za pomocą tych samych pomp jonowych.
